微生物燃料电池

微生物燃料电池制作人：朱亚辉姚烘烨杨金鹏狄伟强胡灿阳夏德铭时间：2016.10.24ResearchonMicrobialFuelCellsDUT研究背景01简单分类03发展展望05基本原理02具体应用04THEMAINCONTENTSResearchonMicrobialFuelCellsDUT1第部分研究背景简单来说：微生物燃料电池（MicrobialFuelCells，MFC）是一种利用微生物（产电菌）将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。MFCs也可以被简单地定义为通过微生物的厌氧呼吸过程氧化底物、还原电极并输出电能的生物电化学系统。研究背景01DUTResearchonMicrobialFuelCells.What’stheMFCs？什么是微生物燃料电池？1911年，英国植物学家Potter发现微生物的催化作用可以在燃料电池系统中产生电压[1]，微生物燃料电池(Microbialfuelcells，MFCs)技术的发展就此开始。20世纪50年代，由于美国航空航天局(NASA)的推动，微生物燃料电池曾一度成为研究热点。1999年，Kim等发现：Shewanellaputrefaciens可以在无外源电子介体的条件下催化MFCs产电，该研究促使MFCs技术摆脱了依赖外源电子介体的瓶颈.研究背景01DUTResearchonMicrobialFuelCells.ThehistoryofMFCs微生物燃料电池发展历史进入21世纪之后，随着《降低电极微生物从海洋废弃物中提取能源》在《科学》杂志的发表，标志着能直接将电子传递给固体电级受体的微生物的发现，使得MFC迅速成为环保领域研究的新热点。研究背景01DUTResearchonMicrobialFuelCells.ThehistoryofMFCs微生物燃料电池发展历史美国宾夕法尼亚州大学氢能源研究中心的BruceE.Logana教授研究MFC构型与电极材料方面的改进，研发出了易于搭建、廉价且高效的MFC雏形。韩国科学技术研究院水环境修复中心的ByungHongKim教授和比利时根特大学微生物生态与技术实验室的WillyVerstraete等则在MFC产电菌和微生态方面做了大量基础研究工作，以探明MFC中电子产生与传递机理及微生物种群的关系及演变。这些研究构成了MFC技术的基本理论框架与技术方法。研究背景01DUTResearchonMicrobialFuelCells.ThehistoryofMFCs微生物燃料电池发展历史2第部分微生物燃料电池基本原理基本原理02DUTBasicPrinciples01BasicPrinciples02微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料（有机物质）的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处。以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下：阳极反应：C6H1206+6H2O→C02+24e-+24H+阴极反应：602+24e-+24H+→12H20基本原理02DUT2.1双室MFCs原理示意图：03阴极阳极微生物负载电阻H+质子交换膜氧化剂还原产物e-e-氧化产物直接或间接电子传递有机物O2H20H+e-e-CO2H+e-基本原理02DUTBasicPrinciples04离子交换膜将阳极室与阴极室相分幵,在每一区域发生着不同的反应。MFCs的工作过程可分为以下几个步骤:(1)在阳极室,微生物将底物氧化,这个过程伴随着电子和质子的释放,同时以细胞膜作为电子的受体;(2)释放出来的电子进一步从细胞膜转移到电池的阳极匕经由外电路到达MFCs的阴极,最终在阴极上与电子受体(氧化剂)结合;(3)氧化过程中生成的质子经电池内部的离子交换膜扩散到阴极区,并与电子受体于阴极表面发生还原反应,氧化物质被还原。从而完成整个MFCs的电子产生、传递、流动过程,形成电流。基本原理02DUT2.2产电微生物及其群落05无介体微生物是MFC研究的主流，这类微生物可以自我产生电子介体或者通过自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导线，解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了功率密度的高效输出。目前，研究报道无需外加介体的产电微生物主要有Shewanellaputrefacien、Geobactersulferreducen、Geobactermetallireducens、GeopsychrobacterelectrodiphilusThermincola.sp.、Rhodoferaxferrireducens、Lysinibacillussphaericus等。基本原理02DUT2.2产电微生物及其群落06对于MFC阳极微生物的电子转移机制，普遍认可的方式主要有细胞接触转移、电子中介体转移和纳米导线转移3种。着重介绍纳米导线转移。在纳米导线方面，Lovley等认为，诸如Desulfovibriodesulfuricans等产电微生物的微生物纳米线能更长距离地传导电子，穿越这种杆菌生物膜的菌丝网让生物膜具有了与广泛应用于电子工业的人造导电聚合物相媲美的导电性，电子可在其上传导，传导的距离可为细菌体长的几千倍，这种细菌的蛋白微丝就像真正的金属导线一样，这种作用代表了生物学领域一个基本的新特性。基本原理02DUT2.2产电微生物及其群落07对于MFC中阳极系统的微生物群落结构，有关研究表明，利用混合菌种构建MFC要优于纯菌构建MFC的性能，因为混合接种的MFC中微生物具有高度的生物多样性，这些微生物随着不同的运行条件的变化而变化，其中产电菌通过产电过程直接或间接获得能量，从而逐渐成为该体系中的优势微生物。基本原理02DUT2.3燃料电池的电极材料08MFC的电极分为阳极和阴极，其作为微生物和催化剂的载体，以及电子转移的导体，须具有良好的导电性、稳定性，一定的机械强度，廉价的成本以及电极表面与微生物具有良好的相容性。基本原理02DUT2.3.2阳极材料09微生物燃料电池系统的无介体产电菌群主要是异化金属还原菌，由于这些菌与过渡态金属之间的亲和作用，研究人员开始使用过渡态金属氧化物作为电极修饰剂，以促进微生物燃料电池系统产电能力的提升。研究比较成熟的金属化合物主要有Fe3O4、MnO2、WC等。经修饰后的阳极能够通过静电吸附、与外膜表面的细胞色素酶作用等方式促进产电菌群在阳极表面的黏附，同时通过过渡金属本身晶格上电子的不稳定性促进了电子的传递。基本原理02DUT2.3.1阴极材料10目前在MFC中应用最多的还是铂催化剂，但金属铂价格昂贵。近几年来，非贵金属氧化物催化剂由于其来源广泛、价格低廉，被广泛应用于多种电池体系，如PbO2、MnOx、TiO2、铁氧化物等，其中，MnO2和TiO2是目前研究较多的MFC阴极催化剂。过渡金属大环化合物对氧具有电化学还原活性，尤其是过渡金属卟啉和酞菁化合物。由于大环类化合物的脱金属作用比较强，在中性或者碱性的环境中是稳定的，因此，这类催化剂适合成为中性操作条件下MFC的阴极催化剂。过渡金属大环化合物的中心离子通常为Fe、Co、Ni等，其中以Fe和Co形成的配合物具有较高的氧还原活性。3第部分微生物燃料电池分类MFCs的分类03DUT01依据不同的划分标准,MFCs可以分为多种类型。（1）按菌源的不同MFCs可分为纯菌MFCs和复合菌MFCs;（2）按电子转移方式的不同可分为直接MFCs和间接MFCs;（3）按结构的不同又可分为双室MFCs和单室MFCs,其中按装置中是否使用离子交换膜,双室MFCs又可细分为有膜双室MFCs及盐桥双室MFCs,单室MFCs又可分为“二合一”、三合一、有膜单室及无膜单室MFCs。3.1分类概述MFCs的分类03DUT02近年来,有不少科研工作者主要从事纯菌MFCs的研究,这类MFCs以单一的细菌为考察对象。细菌或是利用细胞膜外的特殊细胞色素(如Shewmellaputrefaciens),或是利用纳米导线(如,或是通过加入电子介体(如Escherichiacoli)等方式,将底物氧化并将电子转移到电极,表现出良好的催化性能。但纯菌的能量转移率低,且对操作技能及运行环境的要求较高,长期运行有被污染的风险[15],通常只用来研究MFCs的工作机理,不适于MFCs的实际应用。与纯菌MFCs相比,复合菌MFCs有着显著的有点:抗环境冲击能力强;可降解底物的种类多且效率高;输出功率大。具有产电性能的复合菌主要是从沉积物(海底和湖泊)或污水处理成的活性污泥驯化而来,通过菌群之间的协同作用,增强MFCs的稳定性,最利于MFCs的商业化运用。3.2纯菌MFCs和复合菌MFCsMFCs的分类03DUT03直接MFCs是指燃料在阳极上被氧化的同时,电子直接从燃料分子上转移到阳极上。如果燃料是在阳极溶液或其他处所反应,产生的电子通过氧化还原介质传递到阳极上就称为间接MFCs。间接MFCs的氧化还原介体大多价格昂贵、有毒且易分解,这在一定程度上限制了MFCs的商业化进程。3.3直接MFCs和间接MFCsMFCs的分类03DUT04双室MFCs由两个电极室及分割材料组成,阳极室(厌氧室)与阴极室(好氧室)中间使用的分割材料为离子交换膜。离子交换膜价格较昂贵,为降低制造成本,盐桥也被广泛用作阻止阴极室氧气进入阳极室的材料。相比于离子交换膜,盐桥的内阻很大,造成MFCs的输出功率很低。单室MFCs省去了阴极室,底物在阳极室被微生物催化氧化,电子由阳极直接传递到阴极,氢离子经过离子交换膜(或离子交换膜不存在)传到阴极。当把阴极与离子交换膜压合在一起,阳极独立即为“二合一“型MFCs;当把阳极,离子交换膜、阴极依次压合在一起即为三合一”型MFCs;当以空气作为电子受体,可将离子交换膜除去,即为空气阴极无膜单室MFCs。3.4双室MFCs和单室MFCsMFCs的分类03DUT05双室MFCs优点是：电池的阴极室及阳极室彼此分幵,便于对阳极、阴及分割材料(离子交换膜)分别进行研究。但是由于双室MFCs的阳极室和阴极室存在一定的距离,导致内阻较高,从而使得输出功率较低,并且离子交换膜的存在,不利于电池装置的放大。单室MFCs的优点是电池的阳极与阴极距离较近,传质速率较大,装置内无离子交换膜,进一步提高了MFCs的输出功率。但两电极距离过近且不使用离子交换膜同样有其不利的一面,氧气容易到达阳极,破坏阳极室微生物的厌氧环境,降低了MFCs的库伦效率。3.4双室MFCs和单室MFCs4第部分微生物燃料电池应用MFCs的应用04DUT01MFCs是一门将有机物在微生物的催化作用下实现化学能转化为电能的技术。污水处理及生物发电是MFCs最初的发展动力,也是MFCs最具商业应用的价值。到目前为止,所有的废水处理的目的都是为了除去其中的污染物,即便是上个上世纪的活性污泥法(ASP),仍是一种能量密集型操作。据估计全美国电力消耗的2%都用于生产活性污泥法处理污水所需要的氧气。因此,现代废物的处理应尽可能的变废为宝MFCs技术处理废水,在降解有机物的同时生产电能,符合“低碳”生活的要求。4.1废水处理及发电MFCs的应用04DUT02MFCs能将可溶性的重金属还原成不溶性的离子,从而将其从污染物中去除,达到生物修复的目的。美国宾夕法尼亚大学和清华大学的最新研究显示,微生物可将污池的盐水变为饮用水并产生电能。研究人员使用两片特制的塑料薄膜,这种薄膜可以分离微生物产生的离子、电子、气体,让其分别流向阳极和阴极。利用这一原理,微生物工作可最终产生高达90%的水,甚至可以达到饮用水的标准。MFCs能够除去水中大部分的盐分,减少了电能的消耗,因此可以降低淡化水质的成本。4.2生物修复与海水淡化MFCs的应用04DUT03MFCs中电流或电量的生成与底物量之间存在一定的关系,故MFCs可用于底物浓度的测定,如现已使用的乳酸传感器及BOD传感器。MFCs作为生物传感器应具有良好的稳定性及较短的响应时间,韩国Korbi公司生产的Hato就是一款满足上述要求的精密仪器,可